“Começou a chover e não parou por quatro meses. Durante esse período, aprendemos todos os tipos de chuva: chuva direta, chuva inclinada, chuva horizontal e até chuva que vai de baixo para cima ”(Forrest Gump, 1994).
Obviamente, lembramos que Forrest tinha uma visão especial do mundo ao seu redor. Falando sobre a chuva "de baixo para cima", ele quis dizer pingos de chuva batendo na superfície do reservatório. Afinal, a água não pode simplesmente subir, certo? Primeiro talvez. Em segundo lugar, para cima não é a única direção do movimento da água. Em terceiro lugar, a direção pode ser controlada. Manipulações com pequenas gotas de água permitirão criar laboratórios em um chip e fornecer propriedades de autolimpeza a esses materiais. Anteriormente, essas afirmações eram apenas uma teoria, mas recentemente foram confirmadas na prática, sobre as quais falaremos hoje. O que é um laboratório em um chip, como as coisas podem se limpar e como os cientistas conseguiram domar gotas de água? As respostas para essas perguntas estão ocultas no relatório dos cientistas. Vamos lá
Base de estudo
Cada vez mais ouvimos a palavra "controle". Os cientistas estão tentando controlar quase tudo o que pode ajudar a obter resultados bem-sucedidos de um estudo específico: controle de rotações, controle de moléculas, controle do córtex auditivo do cérebro de ratos, etc. No caso de tecnologias de auto-limpeza e microfluídica digital, é necessário o controle das gotículas dos líquidos neles utilizados.
No momento, já existem várias tecnologias para manipulação de quedas, mas todas elas têm desvantagens bastante sérias: padrões complexos de eletrodos, temperatura muito alta (configuração
Leidenfrost * ), baixa velocidade de deslocamento molecular, necessidade de substratos piezoelétricos etc.
O efeito Leidenfrost * é um fenômeno quando, após o contato de um líquido com um corpo muito quente (temperatura acima do ponto de ebulição de um líquido), uma camada de vapor isolante é formada para impedir que o líquido ferva rapidamente.
No entanto, no estudo que estamos examinando hoje, os cientistas conseguiram superar todas as deficiências acima aplicando um novo método - "
mecanicidade ". Essa técnica permitiu que a queda fosse movida ao longo de superfícies horizontais e inclinadas por meio de ondas de superfície transversais. Nesse caso, a velocidade da gota é igual à velocidade da onda. Mais detalhes sobre os resultados das observações abaixo.
Resultados da pesquisa
Para demonstrar a rota incomum das gotículas, os cientistas desenvolveram um dispositivo que gera ondas superficiais transversais convencionais e controladas (
1a ).
Imagem Nº 1A estrutura superficial do tipo onda, que é claramente visível em 1a, foi obtida através da redução da pressão sob o filme
PDMS * com uma espessura de 50 μm. Por esse motivo, o filme é pressionado contra uma correia em movimento com protrusões transversais.
PDMS * - polidimetilsiloxano, (C 2 H 6 OSi) n .
O comprimento de onda do filme é determinado pela distância entre as saliências na correia, e a amplitude da onda (3 a 5 μm) é controlada pela pressão do vácuo. Os cientistas descobriram que gotículas individuais com um volume de 0,1 ... 5 μl (microlitro) em ondas transversais com um comprimento de onda de 500 μm se movem a uma velocidade de 0,57 mm / s, que é igual à velocidade da onda usada.
Movimento de uma gota com um volume de 1,3 μl (corresponde às imagens 1d - 1d ).Em seguida, os cientistas conduziram a modelagem de CFD (dinâmica computacional dos fluidos) em conjunto com experimentos práticos e fundamentos teóricos, a fim de entender melhor a natureza da força motriz, quantificá-la e, naturalmente, controlar melhor todo o sistema.
A descrição numérica de uma única gota foi realizada usando um modelo CFD com limites de deformação vertical (framework OpenFOAM).
Modelo CFD de uma gota com um volume de 1,4 μl (corresponde às imagens 1e - 1g ).Comparando o primeiro e o segundo vídeos, bem como imagens de gotas reais e imagens simuladas, vemos que os resultados são perfeitamente compatíveis. A modelagem confirma totalmente as observações práticas.
Os cientistas analisaram as partículas dentro da gota comparando as observações com a velocidade interna da gota no modelo CFD, como resultado do qual o movimento rotacional foi detectado.
Imagem No. 2Em seguida, os cientistas complicaram a tarefa das gotas alterando a inclinação da superfície (
2a ) para que a força gravitacional não se tornasse mais do que a força motriz das gotas. O gráfico
2a mostra os resultados de uma série de experimentos em que cada volume de gota de teste corresponde a um valor crítico do ângulo de inclinação. Uma certa tendência está sendo observada: o valor do ângulo crítico de inclinação diminui com o aumento do volume de gotículas. Isso é explicado de maneira simples: a força da gravidade aumenta muito mais rapidamente do que a força motriz de uma queda, que atua através de uma linha de contato trifásica (líquido - líquido - ar).
Verificou-se também que o valor do ângulo crítico não diminui linearmente (uniformemente); em vez disso, há um declínio acentuado, visível no gráfico
2a .
Duas gotas de volume diferente em uma superfície com um ângulo de inclinação de 13 ° (corresponde às imagens 2b e 2c ).Como a força motriz da queda maior (3.1) é maior que a força gravitacional, a queda se move para cima. E a força motriz da queda menor (2.7) é menor que a força gravitacional; portanto, a queda desce.
Deve-se notar que os dados de entrada para o modelo correspondiam aos parâmetros da configuração real e às gotículas usadas em experimentos práticos.
Em seguida, os cientistas verificaram como a velocidade e a amplitude afetam o valor do ângulo crítico de inclinação. Como pode ser visto no diagrama em
2d , o ângulo crítico diminui com o aumento da velocidade da onda. Verificou-se também que a uma velocidade de onda suficientemente alta e a uma faixa de amplitude mais baixa, a força motriz se torna insuficiente para a transferência de gotículas. Isso ocorre devido ao aumento da resistência viscosa associada ao aumento da dissipação viscosa dentro da gota.
A correlação entre dissipação e velocidade da gota é devida ao fato de que um aumento na taxa de transferência de gotas necessariamente leva a um aumento na taxa de fluxo dentro da gota devido à natureza do movimento da gota (rotacional). Além disso, um aumento na amplitude da onda leva a um aumento linear no ângulo crítico.
O próximo passo no estudo foi esclarecer as razões da natureza oscilatória do ângulo crítico de inclinação e sua possível conexão com a forma das gotículas e as linhas de contato durante o movimento.
Imagem No. 3Os cientistas decidiram considerar duas opções para quedas: 2.1, para o qual o ângulo crítico atinge o máximo (linha superior em
3a e
3b ) e 2,7, para o qual o ângulo crítico atinge o mínimo (linha superior em
3d e
3c ).
Num ângulo zero, as gotículas (
3a e
3c ) têm uma forma simétrica. Quando a onda começa a se mover, o dispositivo se inclina, o que leva a uma distorção da posição da queda em relação às cristas. Por esse motivo, a forma da gota se torna assimétrica (
3b e
3d ).
Alterar a forma da gota desequilibra o sistema e ativa
a força elástica * , que controla o movimento da gota.
Força elástica * - durante a deformação do corpo, surge uma força elástica, que tende a retornar à sua forma anterior (ou seja, ao seu estado original).
A determinação quantitativa da força elástica foi realizada por meio de modelagem teórica, com base em uma mudança instantânea no ângulo de contato local com a distorção da forma da gota. No meio modelo, as gotículas foram descritas como partículas esféricas, e a magnitude da distorção da forma das gotículas quando o centro de massa da mesma gotícula foi deslocado em relação ao estado inicial (equilíbrio) foi fixada. Diante disso, os cientistas calcularam a força por unidade de comprimento (tensão) resultante do desequilíbrio das forças de tensão superficial (setas azuis na imagem nº 3) na linha de contato.
A força total foi obtida através da integração das tensões ao longo da linha trifásica, resultando em uma força líquida (seta vermelha na imagem nº 3).
O modelo teórico confirmou que, no estado inicial (equilíbrio), as tensões das linhas trifásicas são simétricas. E durante a distorção da forma da gota, sua assimetria surge. Nesse caso, é gerada força pura (fixação dinâmica), que equilibra as forças opostas (fixação estática, gravidade e forças viscosas). Como resultado, verificou-se que as forças mais altas podem ser geradas em um ângulo de contato de cerca de 65,5 °.
O resultado intermediário é que as gotas podem facilmente superar superfícies inclinadas, subindo a uma velocidade de 0,57 mm / s, enquanto superam as forças gravitacionais (
4a ).
Imagem No. 4Movimento vertical de uma gota.O movimento de uma queda no teto (corresponde à imagem 4b ).No dispositivo de “umidificação mecânica” demonstrado, a força máxima gerada foi de 2 μN (micronewton). A distância que uma gota pode cobrir (em qualquer posição) é limitada apenas pelas dimensões do próprio dispositivo experimental. Um aumento na superfície de trabalho aumentará a distância percorrida pela queda na mesma velocidade.
No entanto, muitos de vocês perguntam - que gotas devem existir para que essa beleza funcione? Os pesquisadores também fizeram essa pergunta e testaram sua metodologia em diferentes líquidos (água, álcool isopropílico e óleo mineral). Testes práticos mostraram que não há muita diferença entre as três opções, e todas elas são excelentes para a implementação da metodologia em estudo.
Demonstração do movimento simultâneo de muitas gotas de diferentes volumes e, consequentemente, tamanho (correspondente à imagem 4c ).Os pesquisadores observam que a presença de um ângulo crítico como um aspecto importante dessa técnica permite classificar as gotas. Ao inclinar a configuração em um determinado ângulo, você pode ver que quedas com um ângulo crítico abaixo do valor limite não podem se mover ao longo da onda, enquanto que quedas que mostram grandes ângulos críticos máximos serão transportadas. Portanto, apenas gotas de um determinado tamanho se moverão junto com a onda e o restante deslizará da superfície inclinada. Quando duas gotas são combinadas, esse processo de classificação é repetido e a gota será classificada com base em seu novo tamanho.
E o que dizer das superfícies autolimpantes? Esta é uma propriedade bastante útil, não é? Assim, os pesquisadores realizaram observações das gotículas que se moviam pela instalação. Eles determinaram que essas gotas são capazes de limpar a superfície dos contaminantes.
Em seguida, os cientistas criaram um modelo da superfície contaminada aplicando uma grande quantidade de carbonato de cálcio (CaCO3 com tamanho de partícula <50 μm) na superfície do filme PDMS (cobre o dispositivo).
Ao ligar o dispositivo de onda viajante, as partículas de CaCO
3 não desapareceram em lugar algum, mas mantiveram sua posição na superfície, o que está associado à natureza transversal da onda. Em seguida, gotas de água e álcool isopropílico foram aplicadas na superfície contaminada. Gotas se movem ao longo da superfície, limpando-a da contaminação.
Limpar superfícies contaminadas com gotas “em movimento” (corresponde à imagem 4d ).No entanto, há um efeito negativo nesse processo. A presença de partículas de CaCO3 na superfície de trabalho levou a um aumento da resistência e uma diminuição da velocidade efetiva das gotículas para 20% da velocidade da onda. Mas isso não impediu que as gotas limpassem a superfície ao longo de sua rota.
Os cientistas também compreendem completamente o momento provocador da estreiteza do uso de viajantes que cai exclusivamente dentro da estrutura de uma configuração experimental. No futuro, eles planejam usar topografias de superfície sensíveis, que são caracterizadas por deformação mecânica em resposta a estímulos externos, como luz, campos magnéticos e temperatura.
Os polímeros e elastômeros de cristal líquido fotossensíveis são de particular interesse para os pesquisadores. E tudo por causa de seu controle espaço-temporal preciso, que permite movimentos ondulatórios na superfície com a ajuda de fontes de luz estruturadas ou em movimento ou com iluminação constante por meio da auto-sombra.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o
relatório dos cientistas e
materiais adicionais .
Epílogo
Antes de mais, gostaria de observar que os experimentos conduzidos usando a configuração de teste desenvolvida por cientistas ainda não são um produto ou tecnologia acabado. Essa configuração foi usada para demonstrar a técnica de gotícula dinâmica estudada e a função de auto-limpeza.
No futuro, os cientistas planejam usar outras tecnologias, em particular polímeros e elastômeros de cristal líquido, sobre os quais falamos anteriormente. Este trabalho é apenas uma confirmação de que a técnica de mecanohidratação tem todo o direito de existir, uma vez que possui vantagens sobre outras tecnologias cujos objetivos são semelhantes a essa técnica.
Uma das principais áreas em que esse milagre do pensamento científico pode ser aplicado é a microfluídica, ou seja, o diagnóstico de líquidos usando dispositivos de pequeno porte. E a função de autolimpante pode ser aplicada na criação de dispositivos médicos autolimpantes, sensores marinhos, janelas, painéis solares e até na implementação de tecnologias para coleta de orvalho.
Qualquer que seja o futuro que essa tecnologia aguarde, o próprio fato de seu desenvolvimento fala da natureza excepcional da inteligência humana. Nosso cérebro é capaz de gerar as idéias mais extraordinárias e transcendentes que às vezes são difíceis de implementar, mas o resultado dessa implementação confirma que nada é impossível para nós.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)
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